(57)【要約】      （修正有）【課題】貴金属と卑金属との間にできる電位差を利用することによって、所定の電力を取り出す。【解決手段】金属間に乖離幅の大きな電位差を設け、水を媒質として電荷の移動を担わせるようにした。金属分子がもつ電荷を回路へと導き、それをキャパシタへと取り込んで、蓄電と放電を行うための発電システムとする。金属から水を介して間接的に電流をとり出すことが安定してでき、金属のもつ電位差による電荷の移動を瞬時に導いて、電流とする電位差発電であって、発電機として有効なものである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なった金属がもつ電位差を誘導し、水を媒質として電荷の移動を成り立たせることによって、発生させた電流を負荷へ直接、またはキャパシタ等を介して間接的に供給するための発電システム。
【請求項２】
電位差発電の回路にキャパシタをおくことによって、負荷へ直接電流を供給するだけでなく、内部抵抗の低いキャパシタ等のバッファを介して、間接的に電力の供給を行うことを可能にする電力供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、金属のもつ電位差を利用して発生させた電流を、負荷へ供給するための発電システムとその発電原理に関する。
【背景技術】
【０００２】既存の発電システムは、炭素系資源が生み出した熱エネルギーで電力を発生させ、これを負荷へと供給する方式になっている。最近では水素を資源とする燃料電池が市販されるようになっているが、さまざまな未解決の課題を残したままであるため、コストダウンと安全管理の両面から、普及させることが容易ならざる発電システムという評価が定まりつつある。燃料電池は熱エネルギーの相を経ることなく電力を生み出すものであるため、環境負荷がきわめて少ないという点が評価されている。しかしながら普及に関しては壁に突き当たったままそこで一頓挫しているというのが状態である。【０００３】熱エネルギーとなる条件を回避する方法の中では、電位差を発生させて直接電力を得る、という発想そのものがこれまで存在していなかった。このことから、既存の発電システムと比較することは固より困難である。敢えて類似する様式の発電モデルを探すなら、固体高分子型燃料電池がそれに相当するであろう。該燃料電池は陽子交換膜型のＰＥＭと呼ばれるモデルであり、易爆性が高く扱いにくい高価な水素資源を使わなければならないという点で、経済合理性だけでなく安全管理の面でも解決すべき課題をまだ多く残している。【０００４】固体高分子型燃料電池は水素分子の持つ電子を電離させることにより、電極から負荷へと電流導いて直接発電するための電源系である。発電セルの内部で電離現象を生み出しているのが、膜状の電解質という基材であった。この電解質膜は、一般に陽子交換膜と呼ばれているものである。
水素燃料電池は、要するに、水素分子から電荷を放出させて発電する形式の発電装置一般のことを指す。スタックの内部で酸素と反応した水素は、水分子を合成する。陽子交換膜型燃料電池で酸素が必要となっていた理由は、陽子交換膜そのものが濡れ性を必要とするものであったからである。そのために大気中の酸素をスタック内部へと取り込む必要が生じ、僅かだが空隙となる部分が敢えて設けられている。ところが水素分子は膨張圧力が非常に高いものであるため、７０％程度の水素が発電に寄与することなく、大気中へとただ漏れだしていた。このため、該燃料電池の発電効率は、３０％が上限であるとされている。【０００５】燃料電池以外で本発明である電位差発電に類似する発電モデルがあるとすれば、水を資源として発電する水ダイレクト型燃料電池であろう。特願２００８−９６５７９「液体または気体を用いて資源とすることにより、イオン源となる化合物を電離して発電を行う燃料電池システム及びこれら資源を再生して繰り返し循環再利用する方式のイオン交換膜燃料電池システム」で出願がなされているものだが、発電原理そのものが電位差発電方式とは大きく異なっている。本発明は水を媒質として利用するものであって、水分子のもつ電子を発電に利用するためのものではない。本発明は水を発電に使用する方式になっていても、それは電荷の移動を水分子等に担わせることを目的としたためであった。水を資源化するという発想からではなく、金属の持つ電位差そのものを利用するという着想が、本発明の基本を構成するものとなっている点に違いがある。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】炭素系資源の大量消費の累積が、地球温暖化という現象を生み出したことは周知の事実である。温暖化を防止するための真に有効な打開策は未だ見出されていない。このため、５０年後までに原因物質であるＣＯ２の８０％を削減する、という遠大な目標が２００８年のＧ８、所謂洞爺湖サミットで採択された。温暖化を止めるための対策はこれまで数多く登場しているのだが、いまのところ大気中の二酸化炭素濃度は、毎年２０ｐｐｍずつ着実に増加し続けている。即ちあらゆる温暖化対策が、実効をあげる結果を生み出していなかったということになるのである。
【０００７】エネルギー問題の解決は地球環境の回復ばかりではなく、経済を復興する効果も生み出す。環境と経済の関係は、あちらを立てればこちらが立たず、というトレードオフの関係で成り立っている。燃料電池は二酸化炭素を削減することができるにしても、水素の酸化物である水蒸気を大量に発生させるものでもあるため、普及すればするほど大気圏の湿度は増加せざるを得なくなるのである。この課題を避けて通るには、炭素燃料でもなく、水素燃料でもない第三の資源を見出さなければならない。原子力や自然エネルギーでは制約があって普及は遅々として進まず、温暖化だけを徒に募らせるという結果を招いている。
【発明の実施形態】
【０００８】構造とその仕組みを説明する。２種類の金属板を用い、水または水溶液を媒質として電流を導く。高電位の金属をおく側をプラス電極、低電位の金属のある側をマイナス電極として向い合わせに対置する。金属種は基礎実験で取り上げた以外の組み合わせでも、有効な発電が十分に可能である。用途に応じて金属種の組み合わせを適宜変更し、目的に応じた発電形体を採用することができる。金属が持つ固有の電位差を利用して、そこから電流を取り出すということが、実験により繰り返し確認されている。これまで電位差発電という概念が存在していなかったその理由は、発電原理そのものの有効性が認識されていなかったからである。キャパシタを導入することによって、微弱な電流をバッファへと導くことが可能になったことから、この電位差を利用する本方式の有効性が証明できるようになったのである。
【発明の詳細な説明】
【０００９】本発明を実証するために行った基礎的な実験では、銅（Ｃｕ原子量６３．５４・電位＋０．３５４）と、アルミニュウム（原子量２６．９７・電位−１．３３７）の二種類の金属板を使用した。
この２種類の金属板で実証試験を行ったのは、経済性と試料の入手し易さという点を重視した結果である。実験では銅板（横３０ｃｍ×縦１５ｃｍ×圧さ１ｍｍ）、アルミニュウム板（横３０ｃｍ×縦１５ｃｍ×圧さ１ｍｍ）を使用した。水槽にこれら試料を沈めることによって、５００ｍＶＤＣ・７５ｍＡの電力が出力されていることを確認した。これをキャパシタに導くことによって電流を形成させ、同時に静電状態で蓄電させておくことによって、出力電圧を制御することができるようなシステムとした。
上記の、セルとキャパシタのセットを４台製作し、充電されたキャパシタを直列につないで２ＶＤＣ・３００ｍＡ＝０．６Ｗの電力が生み出されている事実を確認した。この結果は繰り返し行った実験でも安定して再現されていたことから、一定期間の発電を飽和することなく行うことができるモデルであると判定することができた。
【００１０】電位差を発生させることによって電荷の移動を促し、これを人為的に制御して特定の電流電圧とすることで、一定の電力を安定して生み出すことが可能になる。電荷を放出する役割のアルミニウム基盤は、発電に伴って腐食していくのだが、電荷を放出したことによって最外殻起動の電子対を構成することができなくなったことが、電蝕を起こさせる原因となっていた。軌道を占有する電子対は互いに異なった属性をもつものでなければならないため、発電量が増えていくのに伴って、アルミニウム基盤の腐食は進む。これは、電荷を放出した電子が同一の状態をとったためである。分子状態を維持することができなくなったアルミニウムは、活性を失った単原子状態のまま水槽の内部に滞留し続ける。
【００１１】分子結合を成り立たせている共有電子対は、パウリの排他律と呼ばれている原理で完璧に説明されている。該理論の示すところによると、電子対はプラス二分の一のスピンをもつ電子と、マイナス二分の一のスピンをもつ電子との組み合わせで、分子を形成するための電子対を構成する。これ以外の組み合わせは、排他律に抵触するため成り立たない。電荷を放出した後の電子は、同じスピンをもつもの同士の対となるため、分子を構成するための軌道を共有することが不可能な状態となる。このため発電を長時間続けていると、アルミニウムの緩慢な腐食が引き起こされ、資源としてのアルミニウムは次第に劣化して、金属の板だったものがボロボロに崩れていくことになる。
【００１２】この電蝕反応こそが、本発明の基本原理となったものである。電荷を放出したあとの電子は、同じエネルギー状態をとるため、同一のスピンをもつ単原子の状態となることを強制されて、水溶液の中に留まっていなければならない。電子を元のエネルギー状態へと戻すには、紫外線を当てることが有効である。これはアインシュタインの見出した光電効果を応用する技法である。紫外線によって励起された電子は、活性を高めて性質を異にする他の電子と再び共有結合をとることが可能になる。このため、セルの水溶液を回収して再利用することによって、アルミニウムを腐食させたままの水溶液から、高純度のアルミニウムを再生して取り出すことができるようになる。
【００１３】電位差発電はセルを一定の期間でメンテナンスすることによって、アルミニウム資源を繰り返し再生しながら、何度でも再利用することができる発電モデルなのである。石油や天然ガス、水素などのように、エネルギー転換で酸化物を副生しないという特徴があるため、環境に与える影響は最も低いものとなる。一連の反応はアルミニウム分子を構成していた電子対を、電荷を放出させたことによって再結合できなくした結果引き起こされたものである。これによって生じた単原子状態のアルミニウムを、紫外線を用いて再生することにより、アルミニウム資源を持続再生しながら繰り返し再利用することが可能になる。この点こそが、他に類例のない発電システムを成り立たせている本質的な要素成分となっている。
【００１４】電流は電位差に基づいて流れてゆくルートを自分で決めている。このため、負荷がある限り電流を発生させ続ける。この電流の性質を利用して、負荷の発生していない回路でもキャパシタに受容能力がある限り、そこに電荷を貯めておくことができるようにした。回路にバッファ機能を備えたことによって、突発的な電力需要に備えておけるようなシステムとなった。
【発明の効果】
【００１５】電気エネルギーはこの発電装置を採用することにより、極めて低廉なものとなる。一次資源が卑金属の板であるところから、どこにでもある水（雨水、地下水、海水など）を媒質とすることで、金属相互間の電荷の移動を瞬時に行わせ、所定の電力をその場所で安定して取り出すことができるようになる。
【００１６】媒質である水がどこにでも分布しているものであるため、金属種の資源コストをより低廉なものにしていくことによって、更なるコストダウンが可能になる。このため経済合理性を高めていくことが可能な発電モデル、ということができるものとなった。金属同士のもつ電位差の存在に注目すると、代替資源として汎用性の高い発電システムを構築することができるのである。金属資源そのものを循環再利用することができるため、電気エネルギーのコストを最も低廉なものにするという効果が引き出せる。環境負荷がないことはいうまでもないのだが、地球のほぼ７０％が海水に蔽われているため、媒質となる水資源に不足するという事態を引き起こすことはない。この発電モデルは、温暖化防止を目的とする対策にとって、最終的な有効解を与えるものとなり得る。
【特許請求の範囲】
【００１７】請求項１については、貴金属と卑金属との間に発生する電位差を人工的に設定することによって、電力を需要地で取り出すことを可能ならしめるための発電システムである。卑金属から電荷の移動を誘導し、それによって電流を負荷へと導くための電源系を構成する基本モデルとなるものである。
【００１８】請求項２については、請求項１に記載の発電システムにおいて、内部抵抗の低いキャパシタ等のバッファを関与させることによって、間接的に電力の供給を行うことを可能にするための措置である。
【図面の簡単な説明】